Супернові надяскраві: серйозні дослідження магнетарів

У статті, опублікованій у Nature, дослідники на чолі з Джозефом Фарахом з Каліфорнійського університету представили спостереження надяскравої супернови, відомої як 2024afav. Цю супернову вдалося виявити майже безперервно протягом шести місяців завдяки телескопам з усього світу. Автори відзначили коливання її яскравості, що свідчать про те, що вона живиться від сильно магнітизованої та швидко обертової нейтронної зірки, відомої як магнетар.

Протягом останніх 20 років астрономи зафіксували популяцію надзвичайно яскравих супернов, відомих як надяскраві супернови. Ці об'єкти часто перевищують яскравість звичайних супернов більше ніж у 100 разів, але їх рідкість і непередбачуваність ускладнюють виявлення. Джерело додаткової енергії, необхідної для такої яскравості, залишалося невідомим до цього часу.

Усі нейтронні зірки народжуються з швидким обертанням, здійснюючи повний оберт за кілька мілісекунд, і мають сильне магнітне поле. Декілька років тому було висловлено припущення, що нейтронні зірки, які виникають внаслідок надяскравих супернов, можуть бути магнетарами — нейтронними зірками з надзвичайно сильними магнітними полями, що перевищують магнітне поле Землі більше ніж у мільйон разів. Якщо вісь магнітного поля магнетара не збігається з його віссю обертання, як це часто буває у випадку пульсарів, то цей надпотужний магніт, швидко коливаючись, може генерувати величезні обсяги випромінювання, яке нагріває елементи, що щойно викинуті з зірки, роблячи їх ще яскравішими, ніж зазвичай для супернови.

Модель магнетара дозволяє пояснити загальну поведінку надяскравих супернов: їх максимальну яскравість, а також час, необхідний для її зростання та зменшення. Проте, вона не пояснює менші сплески, які часто спостерігаються під час повільного зниження загальної яскравості супернови. Фарах та його колеги спостерігали такі коливання яскравості у супернові 2024afav з безпрецедентною точністю. Вони виявили чотири підтверджені сплески (попередні спостереження надяскравих супернов не зафіксували більше двох). Дослідники помітили, що проміжок часу між кожним сплеском зменшувався з часом, з приблизно 50 днів до близько 20 днів між двома останніми підтвердженими сплесками.

Варто зазначити, що під час формування магнетара деякі викинуті шари зірки можуть падати назад до центру системи, формуючи спіральний диск матерії. Автори пропонують, що цей феномен може пояснити спостережувані коливання яскравості. Вони вважають, що якщо диск у вільному падінні також буде неузгоджений з віссю обертання магнетара, він буде коливатися, як тюбик. Цей рух прецесії подібний до коливання магнітного поля магнетара, але у випадку диска він є наслідком теорії загальної відносності: це ефект Ленса-Тірінга, у якому масивне тіло, що обертається, веде за собою структуру простору-часу.

Феномен прецесії Ленса-Тірінга вже спостерігався на орбітах супутників Землі, але у випадку магнетара він буде в сотні мільйонів разів інтенсивнішим у екстремальному гравітаційному полі, яке існує поблизу. Для Фараха та його колег це саме прецесуючий диск відповідає за спостережувані коливання яскравості.

Прецесія Ленса-Тірінга прискорюється, коли маса в орбіті наближається до об'єкта, що обертається. Відстань між найвнутрішнім шаром диска у вільному падінні та центром магнетара визначається точкою, де сила випромінювання магнетара, що бомбардує диск, стає достатньо інтенсивною, щоб завадити матеріалу диска падати далі всередину. Коли супернова слабне, ця сила випромінювання зменшується, дозволяючи диску наближатися до магнетара і, відповідно, прецесувати швидше. Фарах та його колеги кількісно протестували цю модель і виявили, що вона може одночасно відтворювати коливання яскравості та загальні властивості супернови: як час наростання, максимальну яскравість, так і швидкість зменшення. Вони також виявили, що вона може пояснити попередні спостереження інших надяскравих супернов з менш чітко зафіксованими коливаннями.

Ця узгоджена та успішна реалізація їхньої моделі надає обнадійливі докази того, що надяскраві супернови можуть дійсно живитися магнетарами. Але загадка ще не вирішена остаточно. Дослідження Фараха та його колег показує, що диск може прецесувати з такою ж швидкістю, як і спостережувані коливання яскравості, але не уточнює, яким чином прецесія впливає на яскравість супернови. Наразі модель була застосована лише до обмеженої кількості спостережень. Довіра до цього трактування зростатиме, якщо модель продовжить успішно пояснювати майбутні спостереження надяскравих супернов. На щастя, найближчим часом очікується виявлення багатьох інших супернов за допомогою обсерваторії Вера Рубін. Її широкомасштабне обстеження, відоме як Legacy Survey of Space and Time (LSST), має на меті виявити тисячі, а можливо, й десятки тисяч надяскравих супернов, які потім можна буде досліджувати за допомогою таких інструментів, як телескоп Лас-Кумбрес (використовувався в цьому дослідженні), щоб отримати необхідні спостереження для виявлення слабших модуляцій, передбачених моделлю магнетара.

Ця вибірка стане надійним тестом для моделі та дозволить вивести властивості магнетарів на рівні популяції. Детальні кампанії спостереження також дозволять суттєво обмежити властивості магнетарів, а в поєднанні зі спектроскопічними діагностиками акреції та еjecta, вони можуть навіть дозволити перевірити загальну відносність за допомогою молодих магнетарів.

Крім можливості вирішення загадки надяскравих супернов, це дослідження пропонує, що супернови часто є асиметричними, створюючи астрономічні системи з неузгодженими елементами. Це має наслідки й для інших систем, що містять компактні об'єкти, зокрема для рентгенівських бінарів, де матерія, що падає на компактний об'єкт, генерує інтенсивний рентгенівський сигнал, або ж для подій злиття компактних об'єктів (нейтронних зірок або чорних дір), що створюють гравітаційні хвилі та/або кілонову.